WO2016001957A1 - 空気調和機 - Google Patents
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- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
Definitions
- the present invention relates to an air conditioner equipped with a refrigeration cycle.
- the air conditioner includes a refrigeration cycle including a compressor, a heat exchanger that acts as a condenser, a heat exchanger that acts as an evaporator, and a refrigerant flow rate control mechanism.
- a conventional heat exchanger of a general air conditioner uses a fixed refrigerant flow path, and causes the refrigerant to flow in the opposite direction when the refrigerant evaporates and condenses.
- the pressure loss is larger on the evaporator side than the condenser side, and the increase in the pressure loss on the evaporator side tends to lead to an increase in the compression work of the compressor. This will hinder the energy saving of air conditioners.
- Patent Document 1 includes a plurality of valve bodies that divide the refrigerant flow path of the indoor heat exchanger, and opens and closes the flow of the refrigerant. Disclosed is an air conditioner in which performance is improved by changing the number of refrigerant flow paths in parallel / serial connection.
- a heat transfer tube through which a large amount of liquid refrigerant flows has only a single-phase forced convection heat transfer coefficient, and therefore is lower than the heat transfer coefficient due to phase change. As a result, the heat exchanger portion of the heat transfer tube through which a large amount of liquid refrigerant flows has low heat exchange performance.
- An object of the present invention is to provide an air conditioner that can improve heat exchange performance when a plurality of heat exchangers are used in series as a condenser.
- the air conditioner of the present invention includes a refrigeration cycle in which a compressor, a four-way valve, an indoor heat exchanger, a refrigerant flow rate control mechanism, and an outdoor heat exchanger are connected in order to circulate the refrigerant, and the indoor heat exchanger or the outdoor heat At least one of the exchangers includes a first heat exchanger and a second heat exchanger connected in series, and the second heat exchange is separated between the first heat exchanger and the second heat exchanger.
- the first heat exchanger and the second heat exchanger function as a condenser when the first heat exchanger and the second heat exchanger function as a condenser
- the second refrigerant is passed after passing through the first heat exchanger. While flowing into the heat exchanger, the liquid refrigerant condensed in the first heat exchanger bypasses the second heat exchanger via the bypass flow path.
- an air conditioner that can improve heat exchange performance when a plurality of heat exchangers are used in series as a condenser.
- the air conditioner of the present invention includes a refrigeration cycle in which a compressor, a four-way valve, an indoor heat exchanger, a refrigerant flow rate control mechanism, and an outdoor heat exchanger are connected in order to circulate the refrigerant, and the indoor heat exchanger or the outdoor heat At least one of the exchangers includes a first heat exchanger and a second heat exchanger connected in series, and the second heat exchange is separated between the first heat exchanger and the second heat exchanger.
- the first heat exchanger and the second heat exchanger function as a condenser when the first heat exchanger and the second heat exchanger function as a condenser
- the second refrigerant is passed after passing through the first heat exchanger.
- the liquid refrigerant condensed in the first heat exchanger bypasses the second heat exchanger via the bypass flow path.
- the air conditioner of the present invention when the first heat exchanger and the second heat exchanger function as a condenser, the liquid refrigerant condensed in the first heat exchanger passes through the bypass flow path to generate the second heat. Since the exchanger is bypassed, a high heat transfer coefficient due to phase change can be obtained by flowing the gas refrigerant into the heat transfer tube downstream of the second heat exchanger and widening the area of the two-phase saturated refrigerant. Even when a plurality of heat exchangers are used in series as a condenser, the heat exchange performance can be improved.
- the air conditioner of the present invention includes a refrigeration cycle in which a compressor, a four-way valve, an indoor heat exchanger, a refrigerant flow rate control mechanism, and an outdoor heat exchanger are sequentially connected to circulate the refrigerant.
- At least one of the heat exchangers has a first heat exchanger and a second heat exchanger, and is separated between the first heat exchanger and the second heat exchanger, and the second heat exchanger and the refrigerant flow rate
- the refrigerant is parallel to the first heat exchanger and the second heat exchanger.
- the refrigerant passes through the first heat exchanger.
- the first heat exchanger and the second heat exchanger are connected in series so as to flow into the second heat exchanger later, and the first heat exchange Liquid refrigerant condensed in the vessel to bypass the second heat exchanger via the bypass passage.
- the air conditioner of the present invention when the first heat exchanger and the second heat exchanger function as an evaporator, the refrigerant flows in parallel to the first heat exchanger and the second heat exchanger.
- the second heat exchange is performed after the refrigerant passes through the first heat exchanger.
- the first heat exchanger and the second heat exchanger are connected in series so as to flow into the heat exchanger, and the liquid refrigerant condensed in the first heat exchanger bypasses the second heat exchanger via the bypass channel.
- the refrigeration cycle 1 includes a compressor 2, a heat exchanger 3 that acts as a condenser, a heat exchanger 4 that acts as an evaporator, and a refrigerant flow rate control mechanism 5.
- a mainstream fin tube heat exchanger for air conditioners is a copper heat transfer tube inserted into a hole provided in a strip-shaped aluminum fin arranged in parallel with a predetermined gap, and then the heat transfer tube It is configured by expanding the pipe.
- the heat transfer coefficient between the refrigerant side heat transfer tube accompanying the phase change and the refrigerant is high, but the heat transfer coefficient between the air and the fin is low in terms of physical properties. Therefore, by setting the fin surface area to be larger than the inner surface area of the heat transfer tube (expanded heat transfer surface), the magnitude of the loss (heat resistance) on heat passage is reduced.
- a heat transfer phenomenon occurs in which the refrigerant changes phase in the heat transfer tube.
- the refrigerant evaporates when the air temperature is higher than the refrigerant temperature.
- condensation occurs when the refrigerant temperature is higher than the air temperature. Therefore, when switching between cooling and heating with a fixed heat exchanger, the refrigerant flow direction is reversed in accordance with the air temperature conditions.
- the heat transfer coefficient associated with the phase change of the evaporation and condensation of the refrigerant in the heat transfer tube is higher than the heat transfer coefficient by forced convection of a single phase flow.
- the refrigerant that has become high temperature and high pressure by the operation of the compressor 2 flows through the heat transfer tube of the heat exchanger 3 by the four-way valve 6.
- a fan (blower) (not shown) is operated to flow the air between adjacent fins, so that the heat of the high-temperature refrigerant is dissipated to the ambient air. Is done.
- the refrigerant changes to a low-temperature and low-pressure refrigerant by an isoenthalpy change by the refrigerant flow control mechanism 5 such as an electronic expansion valve.
- the refrigerant flows in the heat exchanger 4 serving as the indoor heat exchanger.
- the refrigerant in the heat exchanger 4 and the surrounding air exchange heat by the operation of the fan, so that the refrigerant absorbs heat from the surrounding air, and the temperature of the air flowing between the fins is lowered.
- the low-temperature and low-pressure refrigerant returns from the four-way valve 6 to the compressor 2 again.
- the cooling operation can be performed by repeating this series of cycles.
- the refrigerant that has become high temperature and high pressure from the compressor 2 flows into the heat exchanger 4 by the four-way valve 6. Hot air is discharged (heat radiation) and heated by blowing the surrounding air. Thereafter, the refrigerant that has become low-temperature and low-pressure by passing through the refrigerant flow rate control mechanism 5 flows in the heat exchanger 3 and exchanges heat with the surrounding low-temperature air to absorb heat. Thereafter, the refrigerant returns to the compressor 2 again via the four-way valve 6. By performing this operation continuously, the heating operation can be performed.
- the heat exchanger 4 includes an upper heat exchanger 41 (first heat exchanger) and a lower heat exchanger 42 (second heat exchanger).
- coolant control valve 403 is provided downstream of the refrigerant
- FIG. Refrigerant junction portions 401a and 401b are respectively provided downstream of the upper heat exchanger outlet 41 and the lower heat exchanger 42.
- refrigerant branch structures 402a and 402b are provided upstream of the upper heat exchanger outlet 41 and the lower heat exchanger 42, respectively.
- header pipes arranged in the vertical direction can be used as the refrigerant branch structures 402a and 402b.
- the piping is branched from between the upper refrigerant branch portion 401 a and the refrigerant control valve 403, and the lower heat exchanger 42 and the refrigerant control valve 405 are connected via a connection pipe 406.
- a refrigerant control valve 407 is provided in the middle of the connection pipe 406.
- a refrigerant pipe 450 is provided from the refrigerant branching structure 402b of the lower heat exchanger 42 to the outlet pipe.
- the refrigerant pipe 450 includes a throttle mechanism 451 and a check valve 452.
- the throttle mechanism 451 may be a mechanism having a pressure loss larger than that of the refrigerant pipe 450, and for example, a fixed pressure loss body such as an orifice or a capillary can be used.
- the heat exchanger is schematically shown as being completely divided, but the object of the present invention can be achieved if only the refrigerant flow path is divided.
- the heat exchanger 4 is operated as an evaporator, the air-side fin portion (not shown) is not divided and communicated in the vertical direction of gravity, so that condensed water condensed on the fin surface can be quickly guided downward.
- FIG. 1 shows the operation when the refrigerant in the heat exchanger 4 is condensed (when the heat exchanger 4 is an indoor unit, heating operation).
- the refrigerant control valves 404 and 407 are set to “open”, and the refrigerant control valves 403 and 405 are set to “closed”.
- the refrigerant control valve is indicated as “open” when it is outlined, and “closed” when it is filled.
- the flow direction of the high-temperature and high-pressure refrigerant is indicated by a white arrow, and the flow direction of the low-temperature and low-pressure refrigerant is indicated by a solid arrow.
- the refrigerant that has become high temperature and pressure in the compressor 2 flows through the condenser 4 and dissipates heat to the surrounding air.
- the condenser 4 is divided into an upper heat exchanger 41 and a lower heat exchanger 42.
- the refrigerant is connected to the upper heat exchanger 41 and the lower heat exchanger 42 in series by opening and closing the refrigerant control valves 403, 404, 405, and 407. After flowing through the upper heat exchanger 41, the refrigerant flows into the lower heat exchanger 42. Flow.
- the refrigerant is distributed to the heat transfer tubes in a gas state at the portion 402a.
- the distribution of the refrigerant in the single-phase flow can be set to an equal distribution amount relatively easily.
- the refrigerant after flowing in the upper heat exchanger 41 has a low dryness, becomes a refrigerant state with a dryness of about 0.5, and includes gas refrigerant and partially condensed liquid refrigerant. Thereafter, since the gravity action is generated in the liquid refrigerant of the refrigerant that has reached the refrigerant branch portion 402b, the liquid refrigerant tends to accumulate below the refrigerant branch portion 402b.
- the liquid refrigerant bypass channel 450 is connected to the lower side of the refrigerant branch part 402b, the liquid refrigerant flows in the same channel.
- the gas refrigerant that can contribute to the condensing action flows in the lower heat exchanger 42 and flows while exchanging heat with the air flowing between the fins.
- the liquid refrigerant bypass channel 450 is connected to the lower side of the header pipe arranged in the vertical direction which is the refrigerant branching structure 402b. By connecting in this way, the liquid refrigerant condensed in the upper heat exchanger 41 is accumulated below the header pipe, and the lower heat exchanger 42 can be bypassed via the liquid refrigerant bypass channel 450.
- the refrigerant that has flowed out of the compressor 2 passes through the upper heat exchanger 41, then partly branches and merges with the refrigerant that has flowed through the lower heat exchanger at the outlet of the lower heat exchanger 42.
- the amount of liquid refrigerant in the lower heat exchanger with a large amount of liquid refrigerant can be reduced, and the lower heat exchanger 42 can be mostly saturated (two-phase) refrigerant. Therefore, the heat transfer coefficient in the pipe can be maintained high.
- the refrigerant control valves 403, 404, and 405 are set to “open”, and 407 is set to “closed”.
- the refrigerant that has become high temperature and high pressure due to the operation of the compressor 2 flows in the condenser 3 and isenentically expanded by the expansion valve 5 to become a gas-liquid two-phase refrigerant, and the upper heat exchanger 41 and the lower heat exchanger 42. Flows in parallel. At this time, the refrigerant does not flow into the refrigerant bypass pipe 450 by the check valve 452, and the refrigerant can be used effectively.
- the structure in which the refrigerant flow is switched between the evaporation operation and the condensation operation of the heat exchanger 4 has been described.
- the upper heat exchanger 41 and the lower heat exchanger 42 are provided.
- the present invention can be applied even to an air conditioner in which the upper heat exchanger 41 and the lower heat exchanger 42 divided in the refrigerant flow direction are fixed and connected in series without switching in series or parallel.
- the liquid refrigerant is separated from between the upstream and downstream partial heat exchangers 41 and the lower heat exchanger 42 that are divided and connected in series to bypass the downstream lower heat exchanger 42.
- the saturated refrigerant can be caused to flow to the lower lower heat exchanger 42, and the heat exchange performance can be improved.
- a variable pressure loss body such as an electronic expansion valve is used as the throttle mechanism 453 disposed in the refrigerant pipe 450.
- the check valve 452 used in the first embodiment becomes unnecessary.
- the throttle mechanism 453 can freely change the throttle amount, it can flow by bypassing an appropriate liquid refrigerant amount corresponding to the refrigerant circulation amount that changes according to the required capacity.
- the opening of the throttle mechanism 453 is opened to increase the amount of liquid refrigerant bypass. , Heat exchange performance can be enhanced.
- a gas-liquid separator 454 is provided between the outlet of the upper heat exchanger 41 and the inlet of the lower heat exchanger 42.
- a gas-liquid separator 45 By providing such a gas-liquid separator 45, it is possible to bypass the liquid refrigerant while holding a certain amount of liquid refrigerant.
- a quantitative container or a siphon container that can maintain the liquid level can be used.
- a supercooling heat exchanger 480 is provided on the outlet side of the heat exchanger 4.
- the absolute amount of the liquid refrigerant flowing to the lower heat exchanger can be reduced, so that the performance can be further improved.
- the subcooling heat exchanger 480 does not have to be a separate body, and a part of the heat transfer tube integrated with the upper heat exchanger 41 and the lower heat exchanger 42 may be used.
- Air conditioner 2 Compressor 3: Heat exchanger 301: Refrigerant branch (condensation inlet) 302: Refrigerant junction (condensation outlet) 4: Heat exchanger 41: Upper heat exchanger 42: Lower heat exchanger 401: Refrigerant branch (evaporation inlet) 402: Refrigerant junction (evaporation outlet) 403, 404, 405, 407: Refrigerant control valve 406: Refrigerant pipe 420: Liquid refrigerant 450: Refrigerant bypass channel 451: Refrigerant pressure loss mechanism 452: Check valve 453: Electronic expansion valve 454: Fixed gas-liquid separator 480: Supercooling heat exchanger (subcooler) 5: Refrigerant flow rate control mechanism (throttle mechanism) 6: Four-way valve 71: Flow of refrigerant (high temperature and pressure) 72: Flow of refrigerant (low temperature and low pressure) 8: Fan (blower) 910: Air flow (high wind),
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Abstract
本発明は、凝縮器として複数の熱交換器を直列で用いた場合に、熱交換性能を向上できる空気調和機を提供ことを課題とする。 本発明の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷媒流量制御機構、室外熱交換器を、順次接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、室内熱交換器又は室外熱交換器の少なくとも何れかが、直列に接続された第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、第１熱交換器と第２熱交換器との間で分離し、第２熱交換器と冷媒流量制御機構との間で合流するバイパス流路を有し、第１熱交換器及び第２熱交換器が凝縮器として機能する場合は、冷媒が第１熱交換器通過後に第２熱交換器に流入するとともに、第１熱交換器で凝縮した液冷媒がバイパス流路を介して第２熱交換器をバイパスする。
Description
本発明は、冷凍サイクルを搭載した空気調和機に関する。
空気調和機は、圧縮機、凝縮器として作用する熱交換器、蒸発器として作用する熱交換器、及び、冷媒流量制御機構から構成される冷凍サイクルを備える。従来の一般的な空気調和機の熱交換器は決まった冷媒流路を用い、冷媒の蒸発作用時と凝縮作用時は逆向きに流動させる。しかしながら、冷媒の物性値である比容積の特性上、圧力損失は凝縮器側よりも蒸発器側が大きくなることや、蒸発器側の圧力損失の増加は圧縮機の圧縮仕事量の増加に結びつき易く、空調機の省エネ化を阻害することになる。
そのため、熱交換器を蒸発器として用いる場合は、冷媒が並行に流れる流路本数は熱伝達率を確保した上で多めに確保することが望ましい。他方、熱交換器を凝縮器として用いる場合は、圧力損失が蒸発器ほど大きくならないため流路本数は少なめにして管内の冷媒質量速度を高めに設定する方が熱交換性能は高まる。このように、蒸発器として用いる場合と、凝縮器として用いる場合の各熱交換器内の伝熱管で構成される冷媒流路の適正な流路本数は異なる。
これに対して、特許文献１は、室内熱交換器の冷媒流路を分割し、冷媒の流動の開閉を行う複数の弁体を備え、各弁体の開閉を行うことで、分割した熱交換器を並列接続／直列接続としてし、冷媒の流路本数を変えて性能を向上させる空気調和機を開示する。
一方、特許文献１の空気調和機においては、冷媒の凝縮作用時に分割した熱交換器を直列接続して流動させた場合、上流の熱交換器で熱交換した後の冷媒は、その乾き度が０から１の間の状態で下流の熱交換器に流入することになる。この場合、冷媒には液冷媒とガス冷媒が存在し、液冷媒には重力がより大きく作用する。このため、液冷媒は熱交換器に上下に連通する配管内では下方に溜まり易くなり、各伝熱管に均等に液冷媒とガス冷媒を流動させることが難しい。液冷媒が多く流れる伝熱管は単相流の強制対流熱伝達率のみの作用となるため、相変化による熱伝達率よりも低くなる。その結果、液冷媒が多く流れる伝熱管の熱交換器部分は熱交換性能が低い。
本発明は、凝縮器として複数の熱交換器を直列で用いた場合に、熱交換性能を向上できる空気調和機を提供することを課題とする。
本発明の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷媒流量制御機構、室外熱交換器を、順次接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、室内熱交換器又は室外熱交換器の少なくとも何れかが、直列に接続された第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、第１熱交換器と第２熱交換器との間で分離し、第２熱交換器と冷媒流量制御機構との間で合流するバイパス流路を有し、第１熱交換器及び第２熱交換器が凝縮器として機能する場合は、冷媒が第１熱交換器通過後に第２熱交換器に流入するとともに、第１熱交換器で凝縮した液冷媒がバイパス流路を介して第２熱交換器をバイパスする。
本発明によれば、凝縮器として複数の熱交換器を直列で用いた場合に、熱交換性能を向上できる空気調和機を提供するができる。
本発明の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷媒流量制御機構、室外熱交換器を、順次接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、室内熱交換器又は室外熱交換器の少なくとも何れかが、直列に接続された第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、第１熱交換器と第２熱交換器との間で分離し、第２熱交換器と冷媒流量制御機構との間で合流するバイパス流路を有し、第１熱交換器及び第２熱交換器が凝縮器として機能する場合は、冷媒が第１熱交換器通過後に第２熱交換器に流入するとともに、第１熱交換器で凝縮した液冷媒がバイパス流路を介して第２熱交換器をバイパスする。本発明の空気調和機によれば、第１熱交換器及び第２熱交換器が凝縮器として機能する場合は、第１熱交換器で凝縮した液冷媒がバイパス流路を介して第２熱交換器をバイパスするので、ガス冷媒を第２熱交換器の下流の伝熱管内に流入させ二相の飽和状態の冷媒の面積を広くすることで相変化による高い熱伝達率を得ることができ、凝縮器として複数の熱交換器を直列で用いた場合でも、熱交換性能を向上することができる。
特に本発明の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷媒流量制御機構、室外熱交換器を、順次接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、室内熱交換器又は室外熱交換器の少なくとも何れかが、第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、第１熱交換器と第２熱交換器との間で分離し、第２熱交換器と冷媒流量制御機構との間で合流するバイパス流路を有し、第１熱交換器及び第２熱交換器が蒸発器として機能する場合は、冷媒が第１熱交換器及び第２熱交換器に並列に流入するように第１熱交換器と第２熱交換器が並列に接続され、第１熱交換器及び第２熱交換器が凝縮器として機能する場合は、冷媒が第１熱交換器通過後に第２熱交換器に流入するように第１熱交換器と第２熱交換器が直列に接続されるとともに、第１熱交換器で凝縮した液冷媒がバイパス流路を介して第２熱交換器をバイパスする。本発明の空気調和機によれば、第１熱交換器及び第２熱交換器が蒸発器として機能する場合は、冷媒が第１熱交換器及び第２熱交換器に並列に流入するように第１熱交換器と第２熱交換器が並列に接続され、第１熱交換器及び第２熱交換器が凝縮器として機能する場合は、冷媒が第１熱交換器通過後に第２熱交換器に流入するように第１熱交換器と第２熱交換器が直列に接続されるとともに、第１熱交換器で凝縮した液冷媒がバイパス流路を介して第２熱交換器をバイパスするので、暖房時及び冷房時で室内熱交換器又は室外熱交換器の少なくとも何れかを直列接続／並列接続に切り替えて熱交換器における冷媒の流路本数を変える空気調和機であっても、ガス冷媒を第２熱交換器の下流の伝熱管内に流入させ二相の飽和状態の冷媒の面積を広くすることで相変化による高い熱伝達率を得ることができ、凝縮器として複数の熱交換器を直列で用いた場合でも、熱交換性能を向上することができる。
本発明の第１の実施例について図１，２，６及び７を用いて説明する。まず、一般的な冷凍サイクル１を備えた空気調和機について図１を用いて説明する。冷凍サイクル１は、圧縮機２、凝縮器として作用する熱交換器３、蒸発器として作用する熱交換器４、冷媒流量制御機構５から構成される。
空気調和機用として主流のフィンチューブ型熱交換器は、所定の間隙で平行に並べた短冊状のアルミ製のフィンに設けた穴部に、銅製の伝熱管を差込んだ後、伝熱管を拡管することで構成される。性能面から見た場合、相変化を伴う冷媒側の伝熱管内と冷媒との間の熱伝達率は高いが、空気とフィンとの間の熱伝達率は物性値上低い。そのため、伝熱管の内表面積よりもフィンの表面積を大きく設定（拡大伝熱面）することで熱通過上の損失（熱抵抗）の大小を軽減させる。
冷房と暖房を行う空気調和機では、伝熱管の中で冷媒が相変化する伝熱現象が生じる。冷媒は、空気温度が冷媒温度よりも高い場合は蒸発する。逆に、冷媒温度が空気温度よりも高い場合は凝縮する。そのため、決まった形の熱交換器で冷房と暖房の両方を切替えて行う場合は、空気の温度条件に合わせて、冷媒の流れ方向を逆向きにする。一般に、伝熱管内の冷媒の蒸発や凝縮の相変化に伴う熱伝達率は、単相流の強制対流による熱伝達率よりも高い。
まず、熱交換器４を室内熱交換器とした場合の冷房運転を説明する。圧縮機２の動作で高温高圧となった冷媒は、四方弁６により熱交換器３の伝熱管内を流動する。熱交換器３の周囲は、冷媒温度よりも低い温度の空気があり図示しないファン（送風機）を作動し、隣り合うフィン間に空気を流動させることで、高温の冷媒の熱が周囲空気に放熱される。その後、電子式膨張弁等の冷媒流量制御機構５による等エンタルピ変化により低温低圧の冷媒に変化する。その後、冷媒は室内熱交換器となる熱交換器４内を流動する。熱交換器４内の冷媒と周囲の空気をファンの動作により熱交換させることで周囲の空気から冷媒は吸熱し、フィン間を流動する空気の温度を下げる。低温低圧となった冷媒は、四方弁６から再び圧縮機２に戻る。この一連のサイクルを繰り返すことで冷房運転が可能となる。
次に、熱交換器４を室内熱交換器とした場合の暖房運転を説明する。圧縮機２から高温高圧となった冷媒は四方弁６により熱交換器４内に流動する。周囲の空気を送風することで高温の空気が排出（放熱）され暖房される。その後、冷媒流量制御機構５を通過することで低温低圧となった冷媒は、熱交換器３内を流動し、周囲の低温の空気との間で熱交換し吸熱する。その後、冷媒は四方弁６を介して再び圧縮機２に戻る。この運転を連続して行うことで、暖房運転が可能となる。
ここで、本実施例の空気調和機においては、熱交換器４が上部熱交換器４１（第１熱交換器）及び下部熱交換器４２（第２熱交換器）を備える。また、上部熱交換器出口４１の冷媒凝縮条件の下流に冷媒制御弁４０３を備える。上部熱交換器出口４１、下部熱交換器４２の下流にそれぞれ冷媒合流部４０１ａ、４０１ｂを有する。また、上部熱交換器出口４１、下部熱交換器４２の上流にそれぞれ冷媒分岐構造４０２ａ、４０２ｂを備える。冷媒分岐構造４０２ａ、４０２ｂとしては、鉛直方向に配置されたヘッダ管を用いることができる。
上部冷媒分岐部４０１ａと冷媒制御弁４０３の間から配管を分岐し下部熱交換器４２と冷媒制御弁４０５との間が接続管４０６を介して接続される。接続管４０６の途中には冷媒制御弁４０７を設ける。
下部熱交換器４２の冷媒分岐構造４０２ｂから出口部配管に至るまでに冷媒配管４５０を設ける。冷媒配管４５０には、絞り機構４５１と逆止弁４５２を備える。尚、絞り機構４５１としては、冷媒配管４５０よりも圧力損失が大きい機構であればよく、例えば、オリフィスやキャピラリ等の固定圧力損失体を用いることができる。
なお、凝縮器４の分割では模式的に熱交換器を完全に分割した図で示したが、冷媒流路のみが分割されていれば本発明の目的は達成できる。熱交換器４を蒸発器として作用させる場合、図示しない空気側フィン部は分割せず重力の上下方向に連通することで、フィン表面で結露した凝縮水を速やかに下方に導くことができる。
次に、本実施例の空気調和機の動作を図１及び図２で説明する。図１は、熱交換器４内の冷媒が凝縮作用の運転時を示す（熱交換器４が室内機の場合は暖房運転）。冷媒制御弁４０４、４０７は「開」、冷媒制御弁４０３、４０５は「閉」に設定する。なお、図では冷媒制御弁を白抜きの場合は「開」、塗りつぶした場合を「閉」として記す。また、冷媒が高温高圧の冷媒の流れ方向を白抜きの矢印で、低温低圧の冷媒の流れ方向を塗りつぶした矢印で示す。
圧縮機２で高温高圧となった冷媒は、凝縮器４内を流れ周囲空気に放熱する。
ここで凝縮器４は、上部熱交換器４１と下部熱交換器４２に分割される。冷媒は、冷媒制御弁４０３、４０４、４０５、４０７の開閉により、上部熱交換器４１及び下部熱交換器４２が直列に接続され、上部熱交換器４１内を流動した後に下部熱交換器４２内を流動する。冷媒は、４０２ａの部位ではガス状態で各伝熱管に分配される。単相流における冷媒の分配は、比較的容易に均等な分配量に設定できる。上部熱交換器４１内を流動した後の冷媒は、乾き度が低くなり、乾き度０．５程度の冷媒状態となりガス冷媒と一部凝縮した液冷媒が存在する。その後、冷媒分岐部４０２ｂ内に到達した冷媒の液冷媒には重力作用が生じるため、冷媒分岐部４０２ｂの下方に液冷媒が溜まり易い。
このとき、冷媒分岐部４０２ｂの下方には、液冷媒バイパス流路４５０が接続されているため液冷媒が同流路内を流れる。一方、凝縮作用に寄与できるガス冷媒は下部熱交換器４２内を流動し、フィン間を流れる空気と熱交換しながら流動する。尚、本実施例においては、液冷媒バイパス流路４５０は、冷媒分岐構造４０２ｂである鉛直方向に配置されたヘッダ管の下方に接続させる。このように接続することにより、上部熱交換器４１で凝縮した液冷媒がヘッダ管の下方に溜まり、液冷媒バイパス流路４５０を介して下部熱交換器４２をバイパスさせることができる。
この動作を、図７のモリエル線図上で説明する。圧縮機２から流出した冷媒は、上部熱交換器４１を通過後、一部を分岐して下部熱交換器４２の出口部で下部熱交換器を流れた冷媒と合流する。この結果、従来構造では液冷媒が多い下部熱交換器内の液冷媒の量を減らすことができ、下部熱交換器４２内を大半が飽和（二相）状態の冷媒の状態にすることができるので、管内熱伝達率を高く維持できる。
次に、本実施例の構造において熱交換器４を蒸発器として作用させる場合（熱交換器４が室内機の場合は冷房運転）について、図２を用いて説明する。冷媒制御弁４０３、４０４、４０５は「開」、４０７は「閉」に設定する。圧縮機２の動作で高温高圧となった冷媒は、凝縮器３内を流動し膨張弁５により等エンタルピ膨張し、気液二相の冷媒となって上部熱交換器４１と下部熱交換器４２内を並行に流動する。このとき、逆止弁４５２により冷媒バイパス配管４５０内には冷媒が流れることはなく冷媒を効果的に用いることができる。
尚、本実施例においては、熱交換器４の蒸発作用時と凝縮作用時で冷媒流動を切替える構造で説明したが、図６に示すように、上部熱交換器４１及び下部熱交換器４２を直列又は並列に切替えずに、冷媒の流通方向に分割した上部熱交換器４１及び下部熱交換器４２を直列に固定して接続した空気調和機であっても、本発明を適用することができる。図６に示す構造においても、分割し直列に接続した上流と下流の部熱交換器４１及び下部熱交換器４２の間から液冷媒を分離して下流の下部熱交換器４２をバイパスさせることで、飽和状態の冷媒を下流の下部熱交換器４２に流動させることができ、熱交換性能を高めることができる。
次に、第２の実施例について図３を用いて説明する。本実施例の空気調和機においては、冷媒配管４５０に配置された絞り機構４５３として電子式子膨張弁等の可変圧力損失体を用いる。流路を完全密閉できる電子式膨張弁を用いることにより、第１の実施例で用いた逆止弁４５２が不要となる。また、絞り機構４５３は絞り量を自由に可変できるため、必要能力に応じて変化する冷媒循環量に対応して、適切な液冷媒量をバイパスして流動させることができる。例えば、下流熱交換器４２出口の冷媒配管温度を検知し、下部の伝熱管から流出する冷媒の過冷却度が大きければ、絞り機構４５３の開度を開けて液冷媒のバイパス量を増やすことで、熱交換性能を高めることができる。
次に、第３の実施例について図４を用いて説明する。本実施例の空気調和機においては、上部熱交換器４１の出口から下部熱交換器４２の入口の間に気液分離器４５４を備える。このような気液分離器４５を備えることにより一定量の液冷媒を保持しながら液冷媒をバイパスさせることが可能となる。気液分離容器４５４としては、液面高さを保てるような定量容器やサイフォン型容器を用いることができる。
次に、第４の実施例について図５を用いて説明する。本実施例の空気調和機においては、熱交換器４の出口側に過冷却熱交換器４８０を備える。このような過冷却熱交換器４８０を備えることにより、下部熱交換器に流動する液冷媒の絶対量を低減できるためさらに性能を向上させることができる。なお、過冷却熱交換器４８０は別体である必要はなく、上部熱交換器４１や下部熱交換器４２と一体の一部の伝熱管を用いてもよい。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明で分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
１：空気調和機
２：圧縮機
３：熱交換器
３０１：冷媒分岐部（凝縮入口）
３０２：冷媒合流部（凝縮出口）
４：熱交換器
４１：上部熱交換器
４２：下部熱交換器
４０１：冷媒分岐部（蒸発入口）
４０２：冷媒合流部（蒸発出口）
４０３、４０４、４０５、４０７：冷媒制御弁
４０６：冷媒配管
４２０：液冷媒
４５０：冷媒バイパス流路
４５１：冷媒圧力損失機構
４５２：逆止弁
４５３：電子式膨張弁
４５４：定量型気液分離器
４８０：過冷却熱交換器（サブクーラ）
５：冷媒流量制御機構（絞り機構）
６：四方弁
７１：冷媒の流れ（高温高圧）
７２：冷媒の流れ（低温低圧）
８：ファン（送風機）
９１０：空気の流れ（高風速）
９２０：空気の流れ（低風速）
２：圧縮機
３：熱交換器
３０１：冷媒分岐部（凝縮入口）
３０２：冷媒合流部（凝縮出口）
４：熱交換器
４１：上部熱交換器
４２：下部熱交換器
４０１：冷媒分岐部（蒸発入口）
４０２：冷媒合流部（蒸発出口）
４０３、４０４、４０５、４０７：冷媒制御弁
４０６：冷媒配管
４２０：液冷媒
４５０：冷媒バイパス流路
４５１：冷媒圧力損失機構
４５２：逆止弁
４５３：電子式膨張弁
４５４：定量型気液分離器
４８０：過冷却熱交換器（サブクーラ）
５：冷媒流量制御機構（絞り機構）
６：四方弁
７１：冷媒の流れ（高温高圧）
７２：冷媒の流れ（低温低圧）
８：ファン（送風機）
９１０：空気の流れ（高風速）
９２０：空気の流れ（低風速）
Claims (6)
- 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷媒流量制御機構、室外熱交換器を、順次接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、
前記室内熱交換器又は前記室外熱交換器の少なくとも何れかが、直列に接続された第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で分離し、前記第２熱交換器と前記冷媒流量制御機構との間で合流するバイパス流路を有し、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器が凝縮器として機能する場合は、前記冷媒が前記第１熱交換器通過後に前記第２熱交換器に流入するとともに、前記第１熱交換器で凝縮した液冷媒が前記バイパス流路を介して前記第２熱交換器をバイパスする
ことを特徴とする空気調和機。 - 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、冷媒流量制御機構、室外熱交換器を、順次接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、
前記室内熱交換器又は前記室外熱交換器の少なくとも何れかが、第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で分離し、前記第２熱交換器と前記冷媒流量制御機構との間で合流するバイパス流路を有し、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器が蒸発器として機能する場合は、前記冷媒が前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器に並列に流入するように前記第１熱交換器と前記第２熱交換器が並列に接続され、
前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器が凝縮器として機能する場合は、前記冷媒が前記第１熱交換器通過後に前記第２熱交換器に流入するように前記第１熱交換器と前記第２熱交換器が直列に接続されるとともに、前記第１熱交換器で凝縮した液冷媒が前記バイパス流路を介して前記第２熱交換器をバイパスする
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項１又は２において、前記バイパス流路は前記バイパス流路を構成する配管よりも圧力損失が大きい絞り機構を有することを特徴とする空気調和機。
- 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器が蒸発器として機能する場合に前記バイパス流路に冷媒が流れることを抑制する逆止弁を前記バイパス流路に備えたことを特徴とする空気調和機。
- 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間に、前記第１熱交換器で凝縮した液冷媒を分離する気液分離機構を有することを特徴とする空気調和機。
- 請求項５において、前記気液分離機構は前記第２熱交換器に流入する冷媒を分配するヘッダ管であり、前記バイパス流路は前記ヘッダ管にて分離し前記第２熱交換器と前記冷媒流量制御機構との間で合流することを特徴とする空気調和機。
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| JP2016530684A JP6218944B2 (ja) | 2014-06-30 | 2014-06-30 | 空気調和機 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
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- 2014-06-30 WO PCT/JP2014/067303 patent/WO2016001957A1/ja active Application Filing
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPWO2016001957A1 (ja) | 2017-04-27 |
| JP6218944B2 (ja) | 2017-10-25 |
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